中繼系統(tǒng)在無人機電力巡視中的應(yīng)用

宋福根，林 韓，黃俊璞

（1.福建省福州大學(xué)，福州 350108；2.國網(wǎng)福建省電力公司，福州 350003；3.福建省電力試驗研究院，福州 350007）

目前，我國110kV以上的電力線路近九十萬公里，人工巡線作業(yè)工作量巨大，投入巨大的人力物力對輸電線路進行定期巡視檢查。傳統(tǒng)的人工巡線工作方式效率較低，給安全管理帶來許多隱患，對于保證電網(wǎng)的安全運行極為不利。隨著無人飛行器技術(shù)的不斷發(fā)展，由于無人機技術(shù)具有不受地形環(huán)境限制等多種優(yōu)勢，其搭載的可見光、紅外熱成像設(shè)備具有對運行電網(wǎng)準(zhǔn)確的隱患發(fā)現(xiàn)能力［1］。因此該技術(shù)已成為應(yīng)對各種自然災(zāi)害以及電網(wǎng)運行巡檢、監(jiān)控、維護、地理圖實時成像更新的有力工具，并逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巡線工作方式［2］。

因很多輸電線路分布在崇山峻嶺之間，傳統(tǒng)的“點對點”通信模式（即任務(wù)機通過無線鏈路直接與地面車載設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信）很容易因為山峰等障礙物而阻隔通信，使得目前無人機只能在可視范圍內(nèi)飛行，限制了通信距離［3］，并且伴有通信盲點的存在，在山區(qū)環(huán)境下其影響更為明顯，給無人機巡線的效果和安全性帶來極大挑戰(zhàn)。因此，實現(xiàn)無人機的超視距、大范圍的巡視飛行是無人機能否成功應(yīng)用于大電網(wǎng)巡視的關(guān)鍵，而其關(guān)鍵技術(shù)就是通信中繼技術(shù)的突破。因此，研究無人機的中繼通信系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機的超視距、遠程飛行越來越具有重要意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者對無線通信中的中繼通信方式的選擇和算法都做了很多研究，特別是近年來隨著無人機技術(shù)的不斷進步和廣泛應(yīng)用，對無人機中繼方式的選擇和應(yīng)用研究取得很大的成就。文獻［3］提出了一種新的基于多級中繼的無人機多鏈路定位方法，描述了無人機多級中繼的選擇和該方法與捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合。文獻［4-6］對基于跨層機制和協(xié)作通信機制的中繼方案選擇做了詳細說明，提出了基于放大重傳和解碼重傳下最佳協(xié)作中繼的選擇準(zhǔn)則。文獻［7］提出了利用商業(yè)或軍用通信衛(wèi)星作為空中中繼平臺，建立無人機衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)我國遠程無人機系統(tǒng)的超視距遙控、遙測和偵察信息實時傳輸?shù)慕鉀Q方案。文獻［8］提出了應(yīng)用于無人直升機上的中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的方案，論述了該系統(tǒng)的設(shè)計方案、總體結(jié)構(gòu)、工作過程以及實現(xiàn)時遇到的技術(shù)難點、解決方案。文獻［9］提出一種以無人機平臺為基礎(chǔ)的超視距多鏈路中繼概念。綜合上述文獻，無人機由于不同的應(yīng)用場合限制，無法利用某一種中繼方式實現(xiàn)無人機超視距大范圍的飛行，必須對各種中繼方式進行對比分析，根據(jù)應(yīng)用場合選擇適合的中繼方式才具有實際意義。

1 目前主要的無人機中繼方式

無人機中繼方式種類較多，下面主要就其中2類主要的中繼通信方式進行分析。

1.1 基于地面中繼節(jié)點的通信方式

基于地面中繼節(jié)點的無線通信方式根據(jù)地面中繼節(jié)點的特點，可細分為兩類：基于公網(wǎng)資源的中繼方式和基于自建地面中繼節(jié)點的地面中繼通信方式，下面分別就其通信系統(tǒng)的組成和特點進行討論研究。

（1）基于公網(wǎng)通信中繼方式

基于公網(wǎng)通信（GSM／GPRS／EVDO／WCDMA）中繼方式即利用目前已經(jīng)架設(shè)的3G通信網(wǎng)絡(luò)作為信號通道進行雙向信號的傳輸。該中繼方式由于采用現(xiàn)有的公網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，因而具有覆蓋面廣，運行成本低等優(yōu)點；但是由于公網(wǎng)的設(shè)計要求不同于無人機通信指標(biāo)的要求，所以也存在如下缺陷：

1）時延問題。采用雙邊撥號，延時3～6s；若采用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像，延時5～10s。即便是通信暢通的情況下，從發(fā)現(xiàn)問題到最終控制命令執(zhí)行，延時8～16s。

2）安全問題。采用公網(wǎng)撥號，每個撥號端（地面站和任務(wù)機）各占用1個IP，都完全沒有防護地暴露在公網(wǎng)，特別是任務(wù)機上不太可能安裝一臺專門的防火墻，任何人均可向任務(wù)機發(fā)送數(shù)據(jù)，可能造成嚴重后果。

3）高空效應(yīng)。通信公司的宏基站采用定向天線，基站一般高40m，下傾角為12°～16°，在高層連接不穩(wěn)定（主要是宏基站折射反射后到高層的信號，導(dǎo)致信號頻繁切換通信掉線）。

4）覆蓋問題。3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善，山區(qū)沒有用戶，并且建設(shè)的可能性很小。同時在高山上架設(shè)基站干擾范圍大且易產(chǎn)生谷底“塔下黑”現(xiàn)象。

（2）基于自建地面中繼節(jié)點的中繼方式

這種方式存在通信延時較大、中繼節(jié)點不一定在線路走廊等問題，可采用基于自建地面中繼節(jié)點的中繼方式來加以改善。該中繼方式即在制高點上的輸電桿塔安裝中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，多方位布點，實現(xiàn)巡視范圍的全覆蓋。并且可以利用輸電桿塔作為中繼設(shè)備的搭載平臺，電力供應(yīng)可以采用微型風(fēng)光互補供電系統(tǒng)或感應(yīng)取電方式實現(xiàn)免維護；利用電網(wǎng)GIS系統(tǒng)進行中繼站的規(guī)劃選址。

基于自建地面中繼的無人機通信系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 基于自建地面中繼的無人機通信系統(tǒng)

基于地面中繼的無人機通信系統(tǒng)由無人機載寬帶無線圖傳設(shè)備、電力塔以及變電站接收中繼設(shè)備、測控車接收中繼設(shè)備、指揮中心接收和管理軟件等幾部分組成。測控車與無人機鏈路為雙向鏈路，支持反向飛控數(shù)據(jù)鏈路。同時，測控車與指揮中心間也可實現(xiàn)音視頻雙向鏈路。前方無人直升機設(shè)備采集的視頻可以通過變電站中繼后傳輸?shù)綔y控車，也可以傳送到指揮中心，同時無人直升機可通過電力鐵塔端的上行數(shù)據(jù)鏈路接收來自于測控車的飛控指令。

從其通信鏈路系統(tǒng)的組成可以看出，該中繼方式具有可沿線路走廊布置地面中繼節(jié)點，同時可利用電力系統(tǒng)自身桿塔等設(shè)備作為中繼設(shè)備安裝支點等優(yōu)勢。但是也存在地面自建中繼節(jié)點較多，點多面廣且戶外安裝的中繼站工作環(huán)境惡劣，將來面臨著設(shè)備老舊、維護更新等工作，并且維護成本較高。受鐵塔高度的限制，通信中繼覆蓋范圍仍然有限，無法突破100km以上的測控距離。

1.2 基于空中中繼節(jié)點的無線通信方式

針對地面中繼通信方式存在的布點過多、造價偏高以及靈活性較差等方面的不足，可采用基于空中中繼節(jié)點的無線通信方式來完善［5-6］?；诳罩兄欣^節(jié)點的無線通信方式根據(jù)中繼節(jié)點的特點，可細分為基于衛(wèi)星中繼方式和基于機載空中中繼平臺的無線通信方式兩類。

（1）衛(wèi)星中繼方式

衛(wèi)星中繼方式主要通過通信衛(wèi)星作為信號中繼節(jié)點，由任務(wù)機發(fā)送圖形、圖像數(shù)據(jù)到通信衛(wèi)星，之后再由中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號到地面控制站接收；同時地面控制站也可以通過向中繼衛(wèi)星發(fā)送控制信號等再中繼轉(zhuǎn)發(fā)至任務(wù)機，從而實現(xiàn)超視距飛行。

衛(wèi)星中繼方式具有全天候、全覆蓋、通信靈活可靠等優(yōu)點。但是按衛(wèi)星通信來設(shè)計，每次飛行需專門申請衛(wèi)星通道，除申請費用外，每分鐘通道占用費用約10元，一次飛行費用（含申請費用）約上萬元。通常衛(wèi)星中繼方式傳輸延時一般在3s以上，目前還不能完全滿足無人機長時間貼近輸電線路飛行的高精度、實時飛控要求。此外，衛(wèi)星接收天線在無人機上的安裝、定向、旋翼的影響等問題也尚未完全解決并取得試驗成果，因此該中繼方式在無人機電力線路巡檢中的實際應(yīng)用還有諸多技術(shù)問題有待解決。

（2）基于機載空中中繼平臺的無線通信方式

由于基于衛(wèi)星中繼的無人機電力線路巡檢通信方式目前還未達到實用階段，當(dāng)前可采用基于機載空中中繼平臺的無線通信方式來對空中中繼技術(shù)進行完善，該無線通信方式由前端無人機載發(fā)射端站、中繼無人機站和地面站3部分組成。機載空中中繼模式即在數(shù)據(jù)鏈路上增加一臺中繼飛機，任務(wù)機采集到的圖像和遙測信號首先通過無線鏈路發(fā)送給中繼機，通過中繼機轉(zhuǎn)發(fā)給地面測控車載終端，相反，地面測控車的控制指令也通過中繼機轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)機終端，控制任務(wù)機的工作狀態(tài)。在執(zhí)行任務(wù)前，需在“無人機電力線路綜合巡檢控制系統(tǒng)”中預(yù)先規(guī)劃好中繼飛機的中繼空域和巡檢飛機的起飛點，中繼飛機就位后無人直升機起飛執(zhí)行巡視任務(wù)?；跈C載空中中繼的無人機通信系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

該系統(tǒng)由于采用無人機作為中繼平臺，所以可以通過控制中繼無人機的飛行高度實現(xiàn)超大范圍的數(shù)據(jù)鏈路雙向通信，同時其通信延時一般在200ms以內(nèi)，而且可支持高速大流量的雙向數(shù)據(jù)傳輸［10］。但是由于其引入了一臺無人機作為中繼，所以操作人員需同時操作至少兩臺無人機（任務(wù)機和中繼機），操作控制較復(fù)雜，同時整個系統(tǒng)在前期設(shè)計和成本投入等都較大。

圖2 基于機載空中中繼的無人機通信系統(tǒng)示意圖

2 電力系統(tǒng)無人機中繼方式應(yīng)用研究

基于地面自建中繼的無人機中繼測控鏈路穩(wěn)定可靠，如條件允許可在變電站附近設(shè)中繼站，利用光纖將測控車的數(shù)據(jù)傳回指揮中心。所以地面中繼方式具有鏈路穩(wěn)定可靠，同時可以利用現(xiàn)有電力設(shè)備實現(xiàn)中繼通信的優(yōu)點［8］。

基于機載空中中繼平臺的無線通信方式通過增設(shè)一架中繼無人機，搭載小型中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備實現(xiàn)空中中繼。中繼飛機快速靈活，可任意機動到所需工作的空域，不受地型限制，同時中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備僅需一套，維護及采購成本較固定。無人機可長時間在海拔數(shù)千米高空盤旋，執(zhí)行中繼通信任務(wù)，能夠在很大范圍內(nèi)創(chuàng)造“地面站-中繼無人機-巡檢無人機”之間的通視條件，可以大大降低中繼設(shè)備和前端發(fā)射機的功率，減輕設(shè)備重量和功耗。能夠?qū)崿F(xiàn)2W前端發(fā)射，5W中繼，100km的通信測控能力，通信時延能夠控制在200ms以內(nèi)。這是其他幾種方案所無法比擬的優(yōu)勢［11］。

針對地面中繼和空中中繼各自存在的局限，可結(jié)合兩者優(yōu)勢，取長補短，同時通信光纜已在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，可以采用光纖加無線混合中繼模式，該通信系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 基于光纖加無線混合中繼的無人機通信系統(tǒng)

該通信方式不僅可以利用電力系統(tǒng)自身的設(shè)備資源，大大減少前期的成本投入和地面中繼節(jié)點的數(shù)目，同時由于光纖具有通信“零”延時的優(yōu)勢，則可以大大加大空中中繼方式的巡視范圍，同時又可以克服通信延時這一頸項，因此是電力系統(tǒng)無人機巡檢的主流中繼通信技術(shù)。

3 結(jié)論

無人機作為電力系統(tǒng)電力線路巡檢及防災(zāi)減災(zāi)的重要應(yīng)用，為了實現(xiàn)超視距大范圍的飛行，中繼系統(tǒng)至關(guān)重要。由于基于自建地面中繼和機載空中中繼各自的優(yōu)點，其在無人機中繼中的應(yīng)用越來越受到歡迎。

針對某些固定線路的定期巡檢作業(yè)及平原地帶的電網(wǎng)巡檢應(yīng)用，可通過在地面制高點安裝中繼，實現(xiàn)大范圍的通信覆蓋，這樣既能大大減少地面中繼的安裝數(shù)量，同時成本投入也較少而且操作較簡便。而對于一些突發(fā)的防災(zāi)減災(zāi)等巡視工作，則可利用基于機載空中中繼的通信方式，利用中繼飛機在數(shù)千米高空飛行實現(xiàn)其遠距離通信的優(yōu)越性，實現(xiàn)在特殊狀況下的無人機巡視。因此，在無人機巡檢中，可以采用以機載空中中繼為主，地面自建中繼為輔的綜合巡檢方式，實現(xiàn)大范圍超視距巡檢。為了減少前期成本投入，充分利用電力系統(tǒng)自身資源，采用基于光纖加無線混合中繼的無人機通信方式將越來越受到歡迎。因此基于光纖加無線混合中繼的無人機通信方式已經(jīng)成為電力系統(tǒng)無人飛行器超視距巡視的一個重要發(fā)展研究方向，具有重要的實際應(yīng)用意義。

［1］ 張 柯，李海峰，王 偉.淺議直升機作業(yè)在我國特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（6）：45-46.ZHANG Ke，LI Hai-feng，LI Wei，et al.Analysis of Helicopter Patrol Application Prospect in China＇s UHV Grid［J］.High Voltage Engineering，2006，32（6）：45-46.

［2］ 于德明，沈 建.直升機與人工巡視效果對比分析［J］.中國電力，2008，11（3）：41-45.YU De-ming，SHEN Jian.Contrastive analysis of helicopter and manual patrol effect［J］.Electric Power，2008，11（3）：41-45.

［3］ 諸燕平，黃大慶.基于多級中繼的無人機多鏈路定位研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27（2）：29-32.Zhu Yang-ping，Huang Da-qing.Multipath geolocation method of UAV based on multilevel relay［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27（2）：29-32.

［4］ 鄒玉龍，鄭寶玉.基于跨層機制的最佳協(xié)作中繼選擇及其系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.通信學(xué)報，2008，8（7）：35-38.ZOU Yu-long ZHENG Bao-yu.Implementation of the optimal cooperative relay selection based on cross-layer mechanism［J］，Journal on Communications.，2008，8（7）：35-38.

［5］ 顧文珊，張會生，李立欣，等.基于協(xié)作通信的最佳中繼選擇方案［J］.信息安全與通信保密，2010（2）：59-61.GU Wen-shan，ZHANG Hui-sheng，LI Li-xin，et al.A Best Relay Selection Scheme Based on Cooperative Communication［J］.China Information Security，2010（2）：59-61.

［6］ 尹露娟，苑津莎.一種基于跨層機制的中繼選擇策略及實現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)通信，2009，30（11）：67-70.YIN Lu-juan，YUAN Jin-sha.Implementation of relay selection based on cross-layer mechanism［J］.Telecommunications for Electric Power System，2009，30（11）：67-70.

［7］ 孟立峰.無人機系統(tǒng)的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈［J］.飛行器測控學(xué)報，2012（5）：24-27.MENG Li-feng.Satellite Relay Data Link for UAVs［J］.Journal of Spacecraft TT＆C Technology，2012（5）：24-27.

［8］ 鄭 鍇，童利標(biāo)，陸文駿.應(yīng)用無人機實現(xiàn)地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信中繼的探討［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（23）：40-41，50.ZHENG Kai，TONG Li-biao，LU Wen-jun.Discussion on the Communication Relay of the Wireless Ground Sensor Network by Using UAV［J］.Modern Electronic Technique，2007，30（23）：40-41，50.

［9］ 常嘯鳴，張曉林，鮑君海，等.用于無人駕駛直升機的中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，35（6）：747-752.CHANG Xiao-ming，ZHANG Xiao-lin，BAO Jun-hai，et al.Design for repeater system with wideband and high sensitivity used in pilotless helicopter［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2009，35（6）：747-752.

［10］ 歐陽鍵，莊 毅，薛 羽，等.非對稱衰落信道下無人機中繼傳輸方案及性能分析［J］.航空學(xué)報，2013，34（1）：130-140.OU yang-Jian，ZHUANG Yi，XUE Yu，et al.UAV Relay Transmission Scheme and Its Performance Analysis over Asymmetric Fading Channels［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2013，34（1）：130-140.

［11］ 徐贊新，袁 堅，王 鉞，等.一種支持移動自組網(wǎng)通信的多無人機中繼網(wǎng)絡(luò)［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（2）：150-155.XU Zan-xin，YUAN Jian，WANG Yue，et al.UAV relay network to provide communications in mobile ad hoc networks［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2011（2）：150-155.